JPH07225108A - 光導波路型変位センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光導波路基板の長手方向と屈折率分布形レン
ズの長手方向を一致させ且つ被測定物への測定光の出射
方向を前記の長手方向に一致させるようにした製造コス
トの安価な光導波路型変位センサを提供すること。 【構成】 光導波路基板Ａの長手方向とセルフォックレ
ンズ６の長手方向が一致している。レーザ光Ｌ₁ は方向
性結合器４で分光される。光導波路２を進行した光は該
レンズ６を経て被測定物へ出射する。その出射方向は該
長手方向に一致している。端面１ｄ，６ａは光の進行方
向に対し斜めとなっている。端面６ｂには反射防止膜７
が形成されている。被測定物で反射された測定光Ｌ
₂ は、方向性結合器４へ戻る。他方、光導波路３を進行
した光は反射鏡５で反射され参照光として方向性結合器
４へ戻る。そして、方向性結合器４はこれらの光を干渉
させ、その干渉光Ｌ₃ を端面１ｃから出射するようにな
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学的干渉により被測
定物の変位測定を行うための光導波路型変位センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ、エレクトロニクス、マイクロコ
ンピュータ、センサ素子等の発達により、レーザ光を用
いた光学的干渉により物体表面の微小部分の変位を測定
する方法が普及している。この方法は、非接触で行うこ
とができ、且つ高精度が得られるため、例えば結晶ウエ
ハ、光学部品、Ｘ線用ミラー等の表面粗さの測定に利用
されている。

【０００３】このような方法に用いられる変位センサの
一つに、マイケルソン干渉系の原理を利用した光導波路
型変位センサがある。これは、ニオブ酸リチウム（LiNb
O₃）やタンタル酸リチウム（LiTaO₃）等の電気光学結晶
基板の表面に光導波路や方向性結合器を形成した光導波
路基板を用いるものであって、その光導波路基板から出
射されて被測定物に反射されて戻ってきた測定光と、反
射鏡で反射されて戻ってきた参照光とを前記方向性結合
器で干渉させ、その干渉光の出力強度を測定するように
したものである。尚、このような技術については本件出
願人が特願平５−１２２７１６号で提案している。

【０００４】ところで、このようにして光導波路基板か
ら出射される光は、そのままでは回折により広がってし
まうため、被測定物から反射してくる測定光を効率よく
得ることが困難である。そのため、被測定物への出射光
を平行光としたり、被測定物に焦点を結ばせる等の工夫
が必要となるが、その一例として図３に示すように、円
柱形をしているセルフォックレンズ（商品名。一種の屈
折率分布形レンズ）を用いたものが知られている。しか
し、単にセルフォックレンズを用いただけでは、光導波
路基板と空気との境界面、及び空気とセルフォックレン
ズとの境界面で、それらの屈折率の差によって発生する
反射光が、被測定物からの反射光に対するノイズとな
り、測定精度を低くしてしまうという問題点がある。そ
のため、この従来例においては、上記の境界面に反射防
止膜を形成しており、それによって境界面での反射光を
−３０dB程度にまで抑制することを可能としている。

【０００５】しかし、被測定物との距離やその表面状態
によっては、被測定物からの反射光の強度が、境界面で
の反射光の強度より低くなってしまうことがあり、上記
のような工夫をしただけでは未だ不十分である。そこ
で、この従来例においては、更に光導波路基板の長手方
向の両端面を研磨等によって斜めにカットした形状と
し、また光導波路基板から出射されセルフォックレンズ
に入射する光に対し、セルフォックレンズの端面を約１
０度傾けて配置するようにしている。このようにしたこ
とによって上記の境界面での反射光を−６０dBまで低減
することが可能となった。従って、この従来例は、種々
の被測定物の表面粗さを測定することができ、且つ測定
精度を向上させることができた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の従来
例において、セルフォックレンズの両端面に反射防止膜
を形成するためには、一般に真空蒸着法を用いるが、反
射防止膜の形成には正確な膜厚の制御が要求され、また
特定の屈折率を得るために材料の選定が難しく、必然的
に製造コストが高くなるという問題点がある。又、上記
の従来例の場合には、光導波路基板からセルフォックレ
ンズに光を出射する端面が長手方向に対して斜めに形成
されているため、光導波路基板の長手方向と、セルフォ
ックレンズの長手方向を合わせると、測定光の被測定物
への出射方向が上記の長手方向に対して斜めとなる。そ
のため、光源に安価な近赤外（不可視）半導体レーザを
使用すると、被測定物に対する変位センサの位置決めが
困難になるという問題点がある。そこで、被測定物に対
する出射方向を光導波路基板の長手方向に合わせるため
には、光導波路基板に対してセルフォックレンズを傾け
て配置することになるが、このような配置は製作上極め
て難しく、製造コストを高くするという問題点がある。

【０００７】本発明は、上記のような問題点に鑑みてな
されたものであり、その目的とするところは、光導波路
基板と屈折率分布形レンズとを備えている変位センサに
おいて、光導波路基板の長手方向と屈折率分布形レンズ
の長手方向を一致させ、且つ被測定物への測定光の出射
方向をそれらと合わせるようにした製造コストの安価な
光導波路型変位センサを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の光導波路型変位センサは、長手方向の両
端面のうち一方の端面を該長手方向に対して斜面とし該
斜面に測定光用入出力端を形成した光導波路基板と、該
測定光用入出力端との間で光の伝達が行えるように配置
された屈折率分布形レンズとを備えており、該屈折率分
布形レンズは、その光軸中心線が該光導波路基板の長手
方向と一致するように配置されており、且つその両端面
のうち何れか一方の端面が該光軸中心線に対して垂直に
形成され、他方の端面が該光軸中心線に対して斜めに形
成されるようにする。

【０００９】又、上記において、該屈折率分布形レンズ
は、その光軸中心線に対して垂直に形成された端面に、
反射防止膜を形成するようにする。

【００１０】更に、上記において、光導波路基板は、そ
の長手方向の両端面が、何れも該長手方向に斜めに形成
されるようにする。

【００１１】

【作用】光源から出射された光は、光導波路基板内の方
向性結合器で二つの光導波路に分光され、光導波路基板
の長手方向に対して斜めに形成されている端面に導かれ
る。一方の光は、この端面に設けられている反射鏡に反
射され参照光として再び方向性結合器へ戻ってくる。他
方の光は、上記の端面で屈折し、測定光として屈折率分
布形レンズの一種であるセルフォックレンズの端面に斜
めに出射される。セルフォックレンズの入射面が光軸中
心線に対して斜めに形成されている場合は、測定光は、
略光軸中心線に沿って進行し、反射防止膜を施してある
他端面から屈折せずに被測定物に向けて出射される。
又、上記入射面が光軸中心線に対して垂直に形成されて
いる場合は、測定光は、セルフォックレンズ内をその長
手方向に対して斜めに進行するが、他端面が斜めに形成
されているため屈折され、該長手方向に一致して被測定
物に出射される。被測定物から反射された光は、前記と
は逆の経路を辿り、光導波路基板に入射する。光導波路
基板に戻ってきた測定光は、方向性結合器において前記
の参照光と干渉し、その干渉光は受光素子に向けて光導
波路基板から出射される。

【００１２】このように、セルフォックレンズの両端面
のうち一方を光軸中心線に対して垂直に形成し、他方を
斜めに形成することにより、光導波路基板の長手方向と
セルフォックレンズの長手方向を一致するように配置
し、且つ光導波路基板からセルフォックレンズに測定光
を斜めに出射しても、セルフォックレンズから被測定物
へ出射するときは上記長手方向と一致させて出射でき
る。

【００１３】

【実施例】第１実施例 本発明の第１実施例を図１に示した説明図を用いて説明
する。本実施例に用いられる光導波路基板Ａは、本件出
願人が出願した特願平５−２８４６４３号で提案したも
のと実質的に同じであり、ニオブ酸リチウム（LiNbO₃）
やタンタル酸リチウム（LiTaO₃）等の電気光学結晶基板
１に光導波路２，３が形成されている。基板１は長手方
向に平行な二つの端面１ａ，１ｂと、端面１ｂに対して
８０度の角度となるように研磨加工された二つの端面１
ｃ，１ｄとを有している。光導波路２，３は、夫々一方
の端部を斜面１ｃに、他方の端部を斜面１ｄに臨ませて
いるが、基板１の中央部においては隣接され、方向性結
合器４を形成している。そして、斜面１ｄには金属や酸
化物、好ましくはチタン（Ti）を２０nm蒸着し、その上
にアルミニウム３００nmを蒸着して反射鏡５が形成され
ており、光導波路３はこの反射鏡５の反射面、即ち斜面
１ｄに対して略垂直になるように形成されている。

【００１４】セルフォックレンズ６は円柱形をしてお
り、通常は図３に示すように両端面が長手方向、即ち光
軸方向に対して垂直な面をしているが、本実施例におい
ては、端面６ａが光軸中心線に対して７７．４度になる
ように研磨されている。又、光軸中心線に対し垂直な端
面６ｂには反射防止膜７が形成されている。光導波路基
板Ａに対するセルフォックレンズ６の配置関係は、光導
波路基板Ａの長手方向とセルフォックレンズ６の長手方
向（即ち光軸中心線）が一致するように設定され、且つ
セルフォックレンズに入射した光が略光軸中心線を通る
ようになされている。

【００１５】次に作用を説明する。光軸から出射された
レーザ光Ｌ₁ は、図示していないが光ファイバを介して
端面１ｃから光導波路基板Ａに入射し、方向性結合器４
で分光される。そして、光導波路２を経由した光は測定
光として端面１ｄからセルフォックレンズ６に向けて出
射される。この時、光導波路２に対して端面１ｄが斜め
に形成されているので、端面１ｄと空気との境界面で発
生し、光導波路２へ戻ってくる反射光が低減される。一
方、測定光はセルフォックレンズ６へ入射する時、その
入射方向に対し端面６ａが斜めになっているので、空気
と端面６ａの境界面で発生し、光導波路２のポートへ戻
ってくる反射光は低減される。

【００１６】その後、測定光はセルフォックレンズ６の
外周面へ向かうことなく、略光軸中心線を通り、端面６
ｂから被測定物へ向けて出射される。この時、端面６ｂ
と空気との境界面で発生する反射光は、反射防止膜７に
よって低減される。端面６ｂから被測定物へ出射された
測定光Ｌ₂ は略光導波路基板Ａの長手方向と一致する方
向へ出射される。従ってこの場合には、被測定物への出
射方向を、センサヘッド（変位センサを組み込んだ構成
体）の外観から容易に判別することができるので、光源
として安価な赤外（不可視）半導体レーザを使用する場
合に有効となる。測定光２は、変位センサと相対的に変
位している被測定物の表面で反射され、セルフォックレ
ンズ６の端面６ｂへ戻ってくる。その後は、上記と同一
経路を逆に進行し、方向性結合器４へ戻ってくる。

【００１７】他方、光導波路基板Ａに入射した後、方向
性結合器４で分光され、光導波路３に導かれた光は、端
面１ｄに形成された反射鏡５に垂直に当たるため、その
殆どが参照光として方向性結合器４へ戻ってくる。従っ
て、光導波路２から戻ってきた測定光と、光導波路３か
ら戻ってきた参照光は、方向性結合器４で干渉し、その
干渉光Ｌ₃ は、図示していないが出力側の光ファイバを
介して光検出器へ導かれ、測定装置によって処理され
る。

【００１８】第２実施例 本発明の第２実施例を図２に示した説明図を用いて説明
する。尚、本実施例における構成及び作用は第１実施例
の場合と殆ど同じであるため、同一部品には同一符号を
付け、その詳細な説明を省略する。本実施例において
は、セルフォックレンズ６の端面６ａ′は光軸中心線に
対して垂直に形成され、端面６ｂ′は所定の角度で斜め
に形成されている。そして、端面６ａ′には反射防止膜
８が形成されている。

【００１９】本実施例によれば、光導波路基板Ａから出
射された光は端面６ａ′からセルフォックレンズ６に入
射するが、光は端面６ａ′に斜めに当たることになり且
つ端面６ａ′には反射防止膜８が形成されているので、
その境界面で発生し方向結合器４へ戻ってくる反射光は
僅かとなる。一方、セルフォックレンズ６に入射した光
は光軸中心線を進行することなく、図示のように斜め上
方へ進行する。しかし、その角度は僅かであるため、セ
ルフォックレンズ６の周面に達する前に端面６ｂ′に達
する。端面６ｂ′は所定の角度で斜めに形成されている
ので、測定光Ｌ ₂ は光軸中心線と平行になって被測定物
へ出射する。

【００２０】尚、上記の二つの実施例の場合、ノイズの
原因となる反射光は何れも−６０dB以下であることが確
認されている。また要求精度次第では、何れの実施例に
おいても反射防止膜の形成を省略することができる。特
に第２実施例の場合には入射面及び出射面に対して光が
総て斜めに当たるようになされているため、省略できる
度合いは大きい。更に、実施例においては端面１ｃを端
面１ｄと平行になるように形成しているが、端面１ａに
対して直角となるように形成しても構わない。その場合
には光源と端面１ｃとの間に光アイソレータを設けるこ
とが好ましい。

【００２１】

【発明の効果】上記のように、本発明においては、屈折
率分布形レンズの両端面のうち、一方を光軸中心線に対
して垂直に形成し、他方を斜めに形成することにより、
光導波路基板の長手方向と該レンズの長手方向を一致さ
せ且つ測定光を該長手方向と一致させて被測定物に出射
できるようにしたので、センサヘッドを製作する際、光
導波路基板と該レンズの位置合わせが容易となり、また
光源として赤外半導体レーザを使用する場合に有利とな
る。また該レンズの垂直端面に反射防止膜を形成すると
しても一つの端面に形成するだけで済むので、従来に較
べて製造コストが安くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を概念的に示した説明図で
ある。

【図２】本発明の第２実施例を概念的に示した説明図で
ある。

【図３】従来例を概念的に示した説明図である。

【符号の説明】

Ａ 光導波路基板 １ 電気光学結晶基板 １ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，６ａ，６ｂ，６ｂ′ 端面 ２，３ 光導波路 ４ 方向性結合器 ５ 反射鏡 ６ セルフォックレンズ ７，８ 反射防止膜 Ｌ₁ レーザ光 Ｌ₂ 測定光 Ｌ₃ 干渉光

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長手方向の両端面のうち一方の端面を該
   長手方向に対して斜面とし該斜面に測定光用入出力端を
   形成した光導波路基板と、該測定光用入出力端との間で
   光の伝達が行えるように配置された屈折率分布形レンズ
   とを備えており、該屈折率分布形レンズは、その光軸中
   心線が該光導波路基板の長手方向と一致するように配置
   されており、且つその両端面のうち何れか一方の端面が
   該光軸中心線に対して垂直に形成され、他方の端面が該
   光軸中心線に対して斜めに形成されていることを特徴と
   する光導波路型変位センサ。
2. 【請求項２】 該屈折率分布形レンズは、その光軸中心
   線に対して垂直に形成された端面に、反射防止膜が形成
   されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路
   型変位センサ。
3. 【請求項３】 該光導波路基板は、その長手方向の両端
   面が、何れも該長手方向に対して斜めに形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路型変
   位センサ。
4. 【請求項４】 該光導波路基板には、その表面に少なく
   とも光導波路と方向性結合器が形成され、その長手方向
   の一端面には光源光用入力端と干渉光用出力端が形成さ
   れ、他端面には該測定光用入出力端と参照光用反射鏡が
   形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れ
   かに記載の光導波路型変位センサ。